NO324673B1 - Switch mode kraftforsyningssystem - Google Patents

Abstract

Switch mode kraftforsyningssystem, karakterisert ved at det omfatter minst én kraftforsyningsmodul (10) som leverer minst to styrte DC-utgangsspenninger gjennom respektive første koblingsmidler (22, 24), hvor de to første koblingsmidlene (22, 24) er elektrisk isolert fra hverandre; en koblingsanordning (30) omfattende et første koblingsgrensesnitt (32) med første utgangsterminaler (38, 39) for kobling til en første last og et andre koblingsgrensesnitt (62) med andre utgangsterminaler (68, 69) for kobling til en andre last, hvor hvert koblingsgrensesnitt (32, 62) omfatter andre koblingsmidler (34) for kobling til de første koblingsmidlene (22, 24) hos den minst ene modulen (10); hvor kraftforsyningssystemet leverer effekt ved et første spenningsnivå når det er koblet til det første koblingsgrensesnittet (32) og leverer effekt ved et andre spenningsnivå når det er koblet til det andre koblingsgrensesnittet (62).

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen angår et kraftforsyningssystem. Spesifikt angår oppfinnelsen et switch mode kraftforsyningssystem med høy utgangseffekt hvor utgangsspenningen kan endres mellom to ulike nivåer.

Bakgrunn

Kraftforsyningssystemet som anvendes i høyeffektsapplikasjoner er vanlig i bruk. Den foreliggende oppfinnelsen angår spesielt kraftforsyningssystemer for telekommunikasjonsutstyr, men selvfølgelig kan den foreliggende oppfinnelsen også anvendes for utstyr for andre anvendelser. Slike kraftforsyningssystemer omfatter likerettere, AC/DC-konvertere, DC/DC-konvertere, etc. Ofte tilveiebringer kraftforsyningssystemene også elektrisk isolasjon mellom AC-nettet og utgangsspenningen.

Kraftforsyningssystemer selges og leveres vanligvis som moduler for montering i en rack. Fortrinnsvis er modulene "hot-plug"-moduler, dvs. moduler som kan kobles til og kobles fra racken uten å skru kraftforsyningssystemet fullstendig av.

Publikasjonen WO 03/041239 viser en isolert inngangsspenningsforsynings-arkitektur med utbyttbare moduler. Det nevnes at problemet som skal løses er relatert til redundans i kraftforsyningssystemer, hvor reservekraft eller en såkalt "standby" kraftkilde kobles inn dersom den primære kraftkilden faller ut eller blir upålitelig. Det er nevnt at modulene kan monteres i et rack.

Publikasjonen US 6815843 viser et kraftforsyningssystem for en server med en parallell redundansstruktur hvor kraftforsyningen til lasten opprettholdes selv om minst en av modulene i strukturen stopper. Modulene kan stikkes inn i spor inne i serveren.

I telekommunikasjonsindustrien kan basestasjoner for mobiltelefonsystemet GSM (GSM: Global System for Mobile Communications) f.eks. være forsynt med +24 V DC. Mange mobiltelefonapparater har nå startet eller planlegger å oppdatere sine basestasjoner til UMTS-systemet (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System), som f.eks. kan være basert på -48 V DC. Nye basestasjoner vil omfatte både GSM- og UMTS-utstyr, men det fremtidige energibehovet for hvert system vil sannsynligvis være ukjent for operatørene.

Følgelig vil mange basestasjoner i dag trenge kraftforsyningssystemer for en første type utstyr, men vil gradvis erstatte eller tilføye en andre type utstyr i tillegg til den første typen utstyr. Derfor omfatter mange basestasjoner i dag både -48 V DC og +24 V DC kraftforsyningssystemer og begge systemene vil eksistere i parallell i mange år.

Det skal bemerkes at spenningsnivåene og polaritetene som nevnes her er gitt kun som et eksempel, disse kravene vil variere basert på produkt, produsent, etc.

I samsvar med dette er det et behov for kraftforsyningssystemet som kan anvendes for begge spenningsnivåer. En slik kjent tilnærming er RM 750 kraftforsyningssystemet fra Voigt og Haeffner

(" http:// www. vuh. de/ en/ files/ datasheets/ Rectifiers. pdf), som er en likeretter med en elektrisk svitsj som endrer utgangsspenningen mellom 24, 48 og 60 V. Svitsjehandlingen resulterer i en analog eller elektronisk endring i styringskretsen hos kraftforsyningssystemet, noe som igjen fører til en endring i utgangsspenning.

Den store ulempen med denne løsningen er at når en lav spenning anvendes vil utgangseffekten være vesentlig lavere enn når et høyt spenningsnivå anvendes. Det skal nevnes at når denne typen kraftforsyning anvendes utføres det først en fysisk frakobling av lasten forsynt ved det første spenningsnivået og deretter, så gjøres en ny kobling til lasten som skal forsynes med et andre eller tredje spenningsnivå.

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et kraftforsyningssystem som kan konfigureres til å bli anvendt ved to ulike spenningsnivåer, mens den samme utgangseffekten forsynes ved begge nivåer. Videre er det et formål å forenkle og å redusere kostnader relatert til planleggingsprosessen av komplekse kraftforsyningssystemer. Et annet formål er at det bør være relativt enkelt å rekonfigurere kraftforsyningssystemet fra det første til det andre utgangsspenningsnivået og vice versa.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen angår et switch mode kraftforsyningssystem omfattende minst én kraftforsyningsmodul og en koblingsanordning, karakterisert ved at den minst éne kraftforsyningsmodulen leverer minst to styrte DC-utgangsspenninger gjennom respektive første koblingsmidler, hvor de to første koblingsmidlene er elektrisk isolert fra hverandre; koblingsanordningen omfatter et første koblingsgrensesnitt med første utgangsterminaler for kobling til en første last og et andre koblingsgrensesnitt med andre utgangsterminaler for kobling til en andre last, hvor hvert koblingsgrensesnitt omfatter andre koblingsmidler for kobling til det første koblingsmidlet hos den minst ene modulen; kraftforsyningssystemet leverer effekt ved et første spenningsnivå når den minste ene modulen er koblet til det første grensesnittet og leverer effekt ved et andre spenningsnivå når den minst ene modulen er koblet til det andre koblingsgrensesnittet.

I samsvar med oppfinnelsen oppnås formålene ovenfor.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen representerer de første utgangsterminalene hos det første koblingsgrensesnittet en parallellkobling av de minst to utgangsspenningene hos den minst éne modulen og de andre utgangsterminalene hos det andre grensesnittet representerer en seriekobling av de minst to utgangsspenningene hos den minst ene modulen. På denne måten er det mulig for alle modulene å levere full effekt.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter den minst ene kraftforsyningsmodulen to separate likeretteranordninger for hver DC-utgangsspenning. Hver likeretteranordning har separate innganger og separate utganger, og de er fortrinnsvis elektrisk isolert fra hverandre. I en alternativ utførelsesform omfatter den minst ene kraftforsyningsmodulen en felles likeretteranordning. Her har likeretteranordningene hos kraftforsyningsmodulen felles inngang og felles likeretting, mens trinnet som utfører den styrte DC-utgangen er separert.

Respektive likerettere er fortrinnsvis forsynt med en AC-effekt fra en AC-effektkilde gjennom det første koblingsmidlet.

Kraftforsyningsmodulen kan også omfatte en DC/DC-konverter som forsynes med en DC-effekt fra en DC-kraftkilde gjennom det første koblingsmidlet.

I en foretrukket utførelsesform tilveiebringer koblingsanordningen kobling til flere kraftforsyningsmoduler, enten til én av, eller både første og andre koblingsgrensesnitt. F.eks. kan koblingsanordningen ha fire andre koblingsmidler ved hvert koblingsgrensesnitt, hvor to kraftforsyningsmoduler kan kobles til det første eller andre grensesnittet, én effektmodul kan kobles til det første koblingsmidlet mens den andre effektmodulen er koblet til den andre koblingsanordningen. Det er selvfølgelig mulig å ha kun én effektmodul, da er kun ett utgangsspenningsnivå mulig på samme tid. I foretrukne utførelsesformer er to eller flere effektmoduler koblet til samme koblingsanordning.

I en foretrukket utførelsesform omfatter det første koblingsmidlet hos kraftforsyningsmodulen en koblingsslisse og det andre koblingsmidlet hos koblingsanordningen rager utover og er tilpasset til å bli mottatt i koblingsslissen.

I en foretrukket utførelsesform omfatter kraftforsyningssystemet en overvåknings-og styringsanordning koblet til hver kraftforsyningsmodul gjennom en databuss via det første koblingsmidlet.

Det skal bemerkes at i praktiske anvendelser er koblingsanordningen festet til den bakre siden av en rack, mens kraftforsyningsmodulene stikkes inn gjennom den fremre siden av racken. Det totale kraftforsyningssystemet vil i slike tilfeller ofte omfatte mange koblingsanordninger og mange kraftforsyningsmoduler montert i rack.

Detaljert beskrivelse av den foretrukne utførelsesformen

I det følgende vil den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen bli beskrevet i detalj som et eksempel, hvor det henvises til de følgende tegninger: Fig. 1 viser et perspektivriss forfra av en kraftforsyningsmodul anvendt i den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 2 viser et perspektivriss bakfra av kraftforsyningsmodulen i fig. 1; Fig. 3 viser et perspektivriss forfra av kraftforsyningssystemet i samsvar med oppfinnelsen, omfattende to kraftforsyningsmoduler og en koblingsanordning; Fig. 4 viser et perspektivriss bakfra av kraftforsyningssystemet i fig. 3; Fig. 5 viser den nedre delen av koblingsanordningen og én av kraftforsyningsmodulene; Fig. 6 viser en detalj av fig. 5; Fig. 7a illustrerer koblingen for en kombinert -48/+24 V DC hvor 4000 watt leveres for hvert spenningsnivå;

Fig. 7b illustrerer koblingen for et +24 V DC hvor 8000 watt leveres; og

Fig. 7c illustrerer koblingen for en -48 V DC hvor 8000 watt leveres.

Det vil nå henvises til fig. 1 og 2, som viser en kraftforsyningsmodul 10.1 den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen omfatter kraftforsyningsmodulen 10 to likerettere 12, 14 anbrakt i et felles hus 16.1 det fremre av huset 16 er det tilveiebrakt et antall kjøle vifter 18.

Kraftforsyningsmodulen 10 er tilpasset til å bli montert i en rack (ikke vist). På den bakre siden (se fig. 2) omfatter modulen 10 to koblingsslisser 22, 24 som inngang/utgang til respektive likeretter 12, 14. Koblingsslissene 22, 24 vil bli beskrevet i detalj nedenfor, med henvisning til fig. 6.

Likeretteren 12, 14 omfatter en konverter som utfører en AC/DC-konvertering. I den foretrukne utførelsesformen omfatter hver likeretter 12, 14 en litt modifisert FlatPack2-likeretter, som beskrevet på http:// www. flatpack2. com. De to likeretterne 12, 14 er ikke elektrisk koblet til hverandre - de har separate koblingsslisser som hver tilveiebringer 24 V DC ut (merk at FlatPack2 leveres i ulike versjoner: 24 VDC, 48 VDC eller 60 VDC).

Imidlertid skal det bemerkes at likeretteren i den foretrukne utførelsesformen er litt modifisert: - jordingsnivået til den dititale kommunikasjonsbussen er elektrisk isolert fra likeretternes jordingsnivå, - styrings- og overvåkingsprogramvaren er modifisert slik at kravene for modulen som ett produkt er oppfylt (EMC og sikkerhetskrav).

Fig. 3 viser kraftforsyningssystemet 1 i samsvar med oppfinnelsen. Kraftforsyningssystemet 1 omfatter to kraftforsyningsmoduler 10 (heretter henvist til som henholdsvis moduler 10a, 10b) og en koblingsanordning 30.1 den foreliggende oppfinnelsen er bredden til racken 19 tommer (en felles/standard

bredde for telekommunikasjonsanvendelser) og de to modulene har en total bredde tilpasset for innsetting i en slik rack. Koblingsanordningen 30 er festet til den bakre siden av racken og er tilpasset til å motta og elektrisk kobles til de to modulene 10a, 10b.

Koblingsanordningen 30 vil nå bli beskrevet med henvisning til fig. 3-6.1 den foretrukne utførelsesformen omfatter koblingsanordningen 30 et nedre koblingsgrensesnitt 32 og et øvre koblingsgrensesnitt 62.

Det nedre koblingsgrensesnittet 32 er vist i detalj i fig. 5 og 6 og vil nå bli beskrevet. Det skal bemerkes at det øvre koblingsgrensesnittet 62 omfatter de samme komponentene, noe som vil fremkomme av beskrivelsen nedenfor. Det nedre koblingsgrensesnittet 32 omfatter fire koblingsmidler 34, hvor hver av disse er tilpasset for kobling til koblingsslissene 22, 24 hos respektive likeretter 12, 14. Koblingsmidlene 34 omfatter en positiv inngangsterminal 35, en negativ inngangsterminal 36 og en kretskortanordning 37, hvor alle disse er tilpasset for å bli stukket inn i koblingsslissene 22, 24. Kretskortanordningen 37 omfatter flere elektriske koblinger, slik som koblinger for AC-forsyning til kraftforsyningsmodulen og kommunikasjonssignaler for overføring via en CAN-buss.

Det nedre koblingsgrensesnittet 32 har også flere kontaktterminaler på motsatt side, slik som en negativ utgangsterminal 38 og en positiv utgangsterminal 39 koblet til telekommunikasjonsutstyret, en CAN-bussterminal 40 og en AC-inngang (ikke vist) koblet til et AC-kraftforsyningssystem. CAN-bussterminalen 40 er fortrinnsvis koblet til en overvåkingsanordning (i den foretrukne utførelsesformen er dette SmartPack-kontrolleren, informasjon kan finnes på www.flatpack2.com).

Som det vil forstås for en fagmann på området er den negative inngangsterminalen 35 koblet til den negative utgangsterminalen 38 og den positive utgangsterminal en

36 er koblet til den positive utgangsterminalen 39. Videre er

kommunikasjonssignalene fra kretskortanordningen 37 koblet til CAN-bussterminalen 40 og AC-forsyningen hos kretskortanordningen 37 er koblet til AC-inngangen. Som nevnt ovenfor er det nedre koblingsgrensesnittet 32 festet på den bakre siden av racket (ikke vist). I fig. 5 er det vist at koblingsslissene 22, 24 hos en kraftforsyningsmodul 10b er elektrisk koblet til to koblingsmidler 34 hos det nedre koblingsgrensesnittet 32 når modulen skyves mot koblingsgrensesnittet. Det skal bemerkes at modulen 10b er dreid i en posisjon hvor koblingsslissene 22, 24 er på den nedre bakre siden av modulen 10b.

I fig. 5 er det også vist en kraftforsyningsmodul 10a dreid 180° til en posisjon hvor koblingsslissene 22, 24 er på den øvre bakre siden av modulen 10a. Når modulen 10a stikkes inn i racket, vil en elektrisk kobling med det øvre koblingsgrensesnittet 62 oppnås (fig. 4 viser modulen 10a koblet til øvre koblingsgrensesnitt 62 og modulen 10b koblet til nedre koblingsgrensesnitt 32). DC-utgangsterminalen 38, 39 hos det nedre koblingsgrensesnitt 38 (24 V) og DC-utgangsterminalene 68, 69 hos det øvre koblingsgrensesnitt 62 (48 V) er også vist her.

Det skal også bemerkes at den mekaniske støtten av moduler 10a og 10b er tilveiebrakt av racket (ikke vist).

De ulike konfigurasjonene som kan oppnås ved å utnytte oppfinnelsen er vist i fig. 7a og 7b. Kun DC-utgangskoblingene er vist.

Fig. 7a illustrerer oppfinnelsen koblet på liknende vis som i fig. 4. Her er kraftforsyningsmodulen 10b koblet til det nedre koblingsgrensesnittet 32 og leverer ut 4000 watt (24 V DC) mens kraftforsyningsmodulen 1 Oa er koblet til det øvre koblingsgrensesnittet 62 og leverer ut 4000 watt (-48 V DC). Som illustrert er de to likeretterne hos modulen 10b koblet i parallell, mens de to likeretterne hos modulen 10a er koblet i serie.

I fig. 7b er kraftforsyningsmodulen 10b dreid 180° rundt sammenlignet med fig. 7a. Her er både kraftforsyningsmodulen 10b og kraftforsyningsmodulen 10a koblet til det nedre koblingsgrensesnittet 32 og leverer ut 8000 watt (24 V DC). Som illustrert er alle fire likeretterne hos modulen 10a og 10b koblet i parallell.

I fig. 7c er kraftforsyningsmodulen 10a dreid 180° rundt sammenlignet med fig. 7a. Her er både kraftforsyningsmodulen 10b og kraftforsyningsmodulen 10a koblet til det øvre koblingsgrensesnittet 62 og leverer ut 8000 watt (-48 V DC). Som illustrert er de to likeretterne hos modulen 10b koblet i parallell og de to likeretterne hos modulen 10a er koblet i parallell, mens modulen 10a og 10b er koblet i serie.

Det skal bemerkes at når én av modulene i fig. 7b eller 7c blir frakoblet, vil den gjenværende modulen fortsette å levere effekt til lasten. Frakoblingen vil selvfølgelig påvirke inngangs/utgangsstrømmen og spenningen fra kraftforsyningssystemet, men så lenge som lasten ikke er utenfor driftsgrensene for kraftforsyningssystemet er det ikke noe behov for å utføre en nedstenging av lasten.

I den foretrukne utførelsesformen omfatter kraftforsyningssystemet videre en overvåkings- og styringsanordning for overvåking av tilstanden (f.eks. temperatur, utgangsspenning, strøm, likeretterstatus og info, batterianalyse og distribusjonsovervåking, etc.) for hver kraftforsyningsmodul og å styre svitsjene hos modulene i samsvar med dette. I samsvar med denne utførelsesformen er flere kraftforsyningsmoduler koblet sammen via CAN-bussen til en sentral overvåkingsmodul som utfører overordnet systemovervåking og -styring, for å tilveiebringe systemanalyser, systemadvarsler, etc.

I den foretrukne utførelsesformen vil overvåknings- og styringsanordningen detektere en frakobling av én av modulene i fig. 7b og 7c, og justere utgangen fra kraftforsyningssystemet til lasten i samsvar med dette.

I samsvar med oppfinnelsen beskrevet ovenfor er det oppnådd et kraftforsyningssystem som kan konfigureres til å bli anvendt ved to ulike spenningsnivåer, mens samme utgangseffekt oppnås på begge nivåer. Planleggingsprosessen for komplekse kraftforsyningssystemer blir forenklet og fleksibelt, siden det ikke lenger er behov for å spesifisere den totale effekten som behøves ved hvert spenningsnivå. Videre er det relativt enkelt å rekonfigurere kraftforsyningssystemet fra det første til det andre utgangsspenningsnivået og vice versa.

Modifikasjoner

Det vil selvfølgelig forstås at prinsippet ovenfor også kan anvendes i andre utgangsspenningsnivåer enn +24 og -48. Videre kan de samme prinsippene utvides til kraftforsyningssystemet tre, fire eller enda flere kraftforsyningsmoduler som blir kombinert for å tilveiebringe to eller enda flere ulike spenningsnivåer. Som et eksempel kan kraftforsyningssystemet i samsvar med oppfinnelsen omfatte fire kraftforsyningsmoduler hver med en utgangsspenning på +24 V DC. Tre ulike konfigurasjoner er mulig, et første utgangsnivå på +24 V DC (alle moduler koblet i parallell), +48 V DC (to parallelle par av moduler, hvert par koblet i serie) og +96 V DC (alle moduler koblet i serie). Følgelig bør det være tre måter å koble koblingsanordningen til kraftforsyningsmodulene.

Selvfølgelig er det også mulig å anvende kun én kraftforsyningsmodul sammen med en koblingsanordning 30 som kun omfatter to koblingsmidler 34 ved hvert koblingsgrensesnitt. I denne utførelsesformen er det kun mulig å levere et utgangsspenningsnivå samtidig.

I beskrivelsen ovenfor trekkes parene av moduler ut fra racken og så dreies 180° rundt før de stikkes inn igjen. Det er selvfølgelig mulig å tilveiebringe mekanisk arrangement hvor det er koblingsanordningen 30 som frakobles, reposisjoneres og tilkobles igjen.

Den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet med henvisning til switch mode kraftforsyningssystemer. Det er også mulig å anvende oppfinnelsen med serieregulatorer eller annet utstyr.

Ytterligere modifikasjoner og variasjoner vil være åpenbare for en fagmann på området når han leser beskrivelsen ovenfor. Rammen av oppfinnelsen vil fremkomme fra de følgende krav og deres ekvivalenter. Fagmannen på området vil selvfølgelig endre polariteter og spenningsnivåer ut fra lastkrav.

Claims (9)

1. Switch mode kraftforsyningssystem omfattende minst én kraftforsyningsmodul (10) og en koblingsanordning (30), karakterisert ved at - den minst éne kraftforsyningsmodulen (10) leverer minst to styrte DC-utgangsspenninger gjennom respektive første koblingsmidler (22, 24), hvor de to første koblingsmidlene (22, 24) er elektrisk isolert fra hverandre; - koblingsanordningen (30) omfatter et første koblingsgrensesnitt (32) med første utgangsterminaler (38, 39) for kobling til en første last og et andre koblingsgrensesnitt (62) med andre utgangsterminaler (68, 69) for kobling til en andre last, hvor hvert koblingsgrensesnitt (32, 62) omfatter andre koblingsmidler (34) for kobling til det første koblingsmidlet (22, 24) hos den minst ene modulen (10); - kraftforsyningssystemet leverer effekt ved et første spenningsnivå når den minste ene modulen (10) er koblet til det første grensesnittet (32) og leverer effekt ved et andre spenningsnivå når den minst ene modulen (10) er koblet til det andre koblingsgrensesnittet (62).

2. System i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at de første utgangsterminalene (38, 39) hos det første koblingsgrensesnittet (32) representerer en parallellkobling av de minst to utgangsspenningene hos den minst ene modulen (10) og de andre utgangsterminalene (68, 69) hos det andre koblingsgrensesnittet (62) representerer en seriekobling av de minst to utgangsspenningene hos den minst ene modulen (10).

3. System i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den minst ene kraftforsyningsmodulen omfatter én separat likeretteranordning (12, 14) for hver DC-utgangsspenning.

4. System i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den minst ene kraftforsyningsmodulen omfatter en felles likeretteranordning.

5. System i samsvar med patentkrav 3 eller 4, karakterisert ved at respektive likerettere er forsynt med en AC-effekt fra en AC-effektkilde gjennom det første koblingsmidlet (22, 24).

6. System i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at den minst ene kraftforsyningsmodulen omfatter minst én DC/DC-konverter forsynt med en DC-effekt fra en DC-effektkilde gjennom det første koblingsmidlet (22, 24).

7. System i samsvar med et av patentkravene ovenfor, karakterisert ved at koblingsanordningen (30) tilveiebringer kobling til flere kraftforsyningsmoduler (10; 10a, 10b), enten til ett av, eller både det første og det andre koblingsgrensesnittet (32, 62).

8. System i samsvar med et av patentkravene ovenfor, karakterisert ved at de første koblingsmidlene (22, 24) hos kraftforsyningsmodulen (10) omfatter en koblingsslisse og de andre koblingsmidlene (34) hos koblingsanordningen (30) er utoverragende og tilpasset til å bli mottatt i koblingsslissen.

9. Anordning i samsvar med et av patentkravene ovenfor, karakterisert ved at kraftforsyningssystemet omfatter en overvåknings-og styringsanordning koblet til hver kraftforsyningsmodul (10) gjennom en databuss via det første koblingsmidlet (22, 24).